книги из ГПНТБ / Ушкалов, В. П. Строительство в условиях пучинистых и слабых грунтов Севера
.pdf
А К А Д Е М И Я Н А У К СССР...........
С И Б И Р С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е |
, |
|
я к у т с к и й ф и л и а л |
.. |
■; |
ИНСТИТУТ ФЦЗИКО-ТЕХНПЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА
В. П. УШ К АЛ О В
СТРОИТЕЛЬСТВО
В УСЛОВИЯХ ПУЧИНИСТЫХ
И СЛАБЫХ
ГРУНТОВ
СЕВЕРА
Ответственный редактор канд. техн. наук. Ф. А. Л а р и о н о в
Т5L. J
и з д а т е л ь с т в о «н а у к а » с и б и р с к о е о т д е л е н и е
Новосибирск • 1974
Г«;.
Мучи У
■ #яв*и
ЭН*
ЧИТАЛ!
УДК 624.131.5
В брошюре освещаются вопросы инженерных изыска ний, проектирования, строительства и эксплуатации соору жений, возводимых на пучинистых и слабых при оттаи вании вечномерзлых грунтах районов Якутской АССР и Забайкалья. Брошюра составлена с учетом современных достижений инженерного мерзлотоведения, механики и фи зики грунтов и снабжена справочными таблицами и приме рами расчета, облегчающими ее практическое использование.
Книга предназначена для научных работников в обда-*
сти механики и физики грунтов, инженеров-строителей, работающих на Севере СССР и в сходных по мерзлотно-грун товым условиям районах.
©Издательство «Наука», 1974.
I
ПУЧИИИСТЫЕ J1 СЛАБЫЕ ГРУНТЫ. '- ОПРЕДЕЛЕНИЕ .ОСНОВНЫХ ХД'Д^НТЕРИСТИК
ГРУНТОВ |
г- 4 |
*“ |
I |
|
< |
■ •■v |
ii |
|
i |
|
|
ОБЩИЕ СВЕДЕНИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Пучинистыми называют грунты, которые при промерза нии увеличиваются в объеме (с поднятием при промерзании н опусканием при оттаивании земной поверхности). Процесс взаимодействия промерзающего грунта и заложенного в нем фундамента сложен. Вокруг фундамента образуется деформа- тивно-наггряженная зона промерзающего и мерзлого грунта. Промерзающий грунт стремится переместить фундамент вверх. Эти перемещения достигают значительной величины, могут быть неравномерными и имеют периодический характер. Из вестны многочисленные случаи деформаций сооружений вслед ствие воздействия сил выпучивания.
Действующими нормами не допускаются перемещения от сил выпучивания для капитальных зданий и сооружений, не приспособленных к таким перемещениям. Для обеспечения ус тойчивости зданий и сооружений, возводимых на пучинистых
грунтах, при их расчете необходимо учитывать |
выпучивание, |
а глубину заложения фундаментов определять в |
соответствии |
с гидрогеологическими условиями площадки, тепловым режи мом зданий, с учетом возможных изменений состояния грунтов основания.
Слабыми называют грунты с малой несущей способностью, сильно сжимаемые под нагрузкой; при большой влажности они обладают подвижностью, выдавливаются; при разработке кот лована оплывают, дают оползни. На таких грунтах не всегда возможно возводить сооружения без соблюдения специальных мер по их улучшению. Точного определения признаков, по ко
торым грунты могут |
быть отнесены к слабым, не имеется. |
В СНиП 11-Б.1— 62, п. |
2.15 перечислены грунты, возможность |
использования которых в качестве естественных оснований ста вится под сомнение, т. е. слабые грунты. К ним отнесены: а) скальные сильно выветрившиеся (рухляк) или водораство римые (неводостойкие); б) песчаные рыхлые; в) глинистые текучей консистенции или с коэффициентом пористости для
супесей е>0,7, суглинков в> » 1,0 и глин в> |
1,1; г) илы; д) пес |
чаные и глинистые заторфованные и торфы; |
е) насыпные и ис |
кусственно намытые грунты. Этот перечень |
не выражает физи- |
3
ко-ыеханической сущности грунтов и может быть принят толь ко условно [11].
Слабые глинистые грунты в некоторых случаях обладают структурностью, т. е. их свойства изменяются при нарушении структуры, уменьшается несущая способность, мал и неодно роден коэффициент фильтрации в различных направлениях — 10_6-г-10-9 см/с; сжимаемость значительна и неравномер на — коэффициент сжимаемостп До>0,054-0,10 см2/кГ, а мо
дуль общей деформации £ 'о<20 кГ/см2 [23].
Строительные свойства грунтов, их несущая способность и деформативность существенно изменяются под влиянием мно гих причин. Такими являются сезонные факторы (зимнее про мерзание, весеннее протаивайте и обводнение талыми водами, летнее высыхание, осеннее увлажнение атмосферными вода ми), производственные (разрыхление грунтов при рытье кот лованов и траншей, засыпка пазух котлованов и траншей сла боуплотненным грунтом с дальнейшим его переувлажнением, нарушение природного сложения и структуры грунта при пла нировочных и мелиоративных работах), эксплуатационные (утечка хозяйственных и производственных вод в грунт из зданий и подземных сетей, обводнение грунтов атмосферными водами при нарушении их естественного стока).
Инженерные изыскания, выполняемые обычно в весенне летнее время, на строительной площадке с ненарушенными грунтовыми условиями не выявляют действия указанных фак торов на строительные свойства грунтов. Поэтому составлен ный на основании обычных изыскательских материалов
прогноз |
часто |
не |
отражает |
действительных |
свойств |
грунтов. |
|
|
|
|
|
Основное условие рационального проектирования и строи тельства на пучинистых и слабых, сильно сжимаемых грун тах — учет особенностей работы сооружений на таких грунтах. Эти особенности должны учитываться на всех стадиях строи тельства, а именно: при производстве изысканий, при разработ ке генерального плана, архитектурного решения, конструкций фундаментов и надфундаментной части, при решении вопросов технологии строительных работ и эксплуатации зданий.
Основная задача инженерно-геологических изысканий — по лучение достаточно точных и исчерпывающих физических, теп лофизических и деформативных характеристик строительных грунтов, обеспечивающих технически правильное и эконо мически целесообразное решение основных вопросов строи тельства. От точности и полноты этих характеристик зависит
обоснованность |
определения состояния |
сезоннопромерзающих |
и оттаивающих |
грунтов, выбор типа |
фундаментов и глу |
бины их заложения, конструкции здания или сооружения. Эти характеристики используются для расчета оснований и фунда ментов по предельным состояниям.
4
Во многих случаях для получения более полных данных, ос вещающих строительные свойства грунтов, удобно пользовать ся косвенными методами, позволяющими довольно просто оп ределять деформативные характеристики грунтов по установ ленной зависимости их от основных физических характеристик.
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ
Применение косвенного метода ускоренного определения деформативных характеристик грунтов возможно, если извест ны три основные физические характеристики: 1) удельный вес
минеральных частиц грунта уч, г/см3; |
2) |
объемный вес грунта |
||||||
естественной ненарушенной структуры |
у0, г/см3; 3) природная |
|||||||
весовая влажность грунта |
W (к весу скелета грунта). |
Опреде |
||||||
лить |
эти характеристи |
|
|
|
|
|
||
ки, в свою очередь, мо- |
|
|
|
Т а б л и ц а 1 |
||||
жно упрощенным спосо- |
Средние значения удельного веса уч |
|||||||
оом на основе выявлен |
|
|
|
Среднее квадратич |
||||
ных |
закономерностей: |
Грунт |
|
V |
ное отклонение |
|||
удельный |
вес |
уч — по |
|
г/см3 |
% |
|||
полученным табличным |
|
|
г/см3 |
|||||
|
|
|
|
|||||
данным |
его |
средних |
Глина . . |
- |
2,74 |
±0,040 |
+ 1,46 |
|
значений; |
|
весовую |
||||||
влажность |
грунта W — |
Суглинок . |
. |
2,71 |
±0,029 |
±1,07 |
||
по данным его объемно- |
Супесь . . |
. |
2,70 |
±0,025 |
±0,93 |
|||
го веса. |
|
|
Песок . . . . |
|
2,66 |
±0,015 |
+0,56 |
|
Средние |
значения |
|
|
|
|
|
||
удельного веса уч, вы |
|
приведены в табл. 1. |
||||||
численные |
Д. |
Е. Полыниным [10], |
||||||
Объемный вес грунта |
есть вес единицы его объема в ес |
|||||||
тественном ненарушенном сложении при природной влажности; определяется по установленной методике способом режущего кольца или гидростатического взвешивания.
Природная весовая влажность W определяется по установ ленной методике способом высушивания или пикнометрическим способом. Возможно также определение весовой влажности кос венным способом. На основе анализа результатов лабораторного определения объемного веса и весовой влажности влажных и водонасыщенных грунтов установлена их взаимозависимость, носящая логарифмический характер, выведены расчетные фор мулы для ускоренного приближенного определения влажности грунта данного объемного веса (табл. 2) [20].
Пр и м е р ы.
1.Определить W влажного легкого суглинка с у0= 1,62 г/см3. Согласно формуле (1),
^= ° ’87- ! ш = 0’34-
5
|
|
|
Т а б л и ц а 2 |
|
Расчетные формулы для определения природной влажности |
||||
грунта W данного объемного веса у0 |
|
|||
Грунт |
Влажный грунт |
Водонасыщенный грунт |
||
|
0=0,5-0,8 |
|
G>0,8 |
|
Суглинок . . . |
W = °> a7- ! w |
(1) |
PF=1,05—iHVp |
(5) |
Супесь . . . . |
0,84 |
|||
^ = ° - 72- ё в |
(2) |
PF=0,91—l^Vo |
(6) |
|
|
1,01 |
|
||
Песок................. |
И - 0 , 8 3 - § |
(3) |
W = l,02— l^l£- |
(7) |
|
|
|
0,85 |
|
Гравийный грунт |
^ = ° ’66- Й |
(4) |
1F=0,95— l2Vo |
(8) |
|
0,88 |
|||
|
|
|||
2. Определить W водонасыщенного песка с 4 0 = 2 , 0 1 г/см3 по формуле (7)
и г “ , ’02- г а “ 0-20-
В зависимости от основных величин у0 и 4ч определяются объемный вес скелета грунта ус„ и коэффициент пористости грунта е но формулам:
YcK |
г -j- W ’ Г/Сы » |
(9) |
е - |
1 |
(10) |
|
Тек |
|
Взависимости от тех же основных величин определяются
идругие производные характеристики — пористость п и сте пень влажности G по формулам:
Л = 1 — -5 Ц
Уч
II
где объемная влажность грунта
£ |
м к II о |
|
* |
(11)
(12)
(13)
Здесь "f„ — удельный вес воды, принимаемый равным 1 г/см3. Песчаные грунты называются маловлажными, если степень
влажности 0,5, влажными, если 0,5<GsC0,8, водонасы щенными, если G>0,8.
6
Глинистые грунты подразделяются на виды в зависимости от числа пластичности Wn. Числом пластичности грунта Wa называется разность весовых влажностей, выраженных в про центах, соответствующих двум состояниям грунта: на границе текучести WT п на границе раскатывания TFP. Число пластич ности Wn выражается формулой
Wn = W? — TFp. |
(14) |
В зависимости от показателя Wn различаются следующие виды глинистых грунтов: 1^ Wn^ 7 — супесь; 7 < T F n^ d 7 — суглинок; IVп> 17 — глина. Глинистые грунты определяются по консистенции, измеряемой величиной
|
|
|
W — W |
|
(15) |
|
|
|
W |
|
|
|
|
|
г г П |
|
|
По |
значению |
величины В различаются: супеси |
твердые |
||
(В<С0), пластичные ( O ^ B ^ l ) , текучие |
(5 > 1 ); суглинки и |
||||
глины |
твердые (В < 0 ), |
полутвердые (0 ^ 6 ^ 0 ,2 5 ), |
тугоплас |
||
тичные |
(0 ,2 5 < 5 ^ 0 ,5 ), |
мягкопластичные |
(0,5<7 ?^0 ,7 5), те |
||
кучепластичные |
(0 ,7 5 < Б ^ 1 ), текучие ( 5 > 1 ) . |
|
|||
ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТОВ
Основными теплофизическими характеристиками сезоннопромерзающих и протаивающих, а также мерзлых и талых грунтов являются С- и С,, — объемная теплоемкость соответ ственно талого и мерзлого грунта, ккал/м3 • град, К и К — коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунта, ккал/м-ч-град и ат и ам — коэффициенты температуропровод ности талого н мерзлого грунта, м2/ч. Эти характеристики свя заны между собой зависимостями:
Ы Су. Т, м"(сК7 |
(16) |
Я ,, |
|
^Т,М — 1пт,м |
(17) |
Удельная теплоемкость грунта может определяться по фор муле сложения: а) удельная теплоемкость мерзлого грунта
Су. м= 1 • С,.. ск+ 1F,Cy. n + W nCy. а; |
(18) |
б) удельная теплоемкость талого грунта |
|
Су.т = 1 •Су. CK+WCy. |
( 19) |
Т а б л и ц а 3
Расчетные значения теплофизических коэффициентов грунтов в зависи мости от их физических характеристик
Физические характеристики ГРУНТОВ
объемный |
влажность |
влажно |
(льдис- |
||
вес, г/м3 |
тость), % |
|
Теплофизические коэффициенты грунтов
теплопровод объемная те температуропро ность грунта, плоемкость водность грунта,
ккал/м-чх грунта, м2/ч хград ккал/м8«град
грунта скеле |
весо |
объ |
Vo та VCk |
вая W |
емная |
|
|
W0 |
1,1 |
1,05 |
4 |
4 |
1,1 |
1,00 |
8 |
8 |
1,2 |
1,15 |
4 |
5 |
1,2 |
1,10 |
8 |
9 |
1,3 |
1,25 |
4 |
5 |
1,3 |
1,20 |
8 |
10 |
1,4 |
1,35 |
4 |
5 |
1,4 |
1,30 |
8 |
10 |
1,5 |
1,45 |
4 |
6 |
1,5 |
1,40 |
8 |
И |
1,6 |
1,55 |
4 |
6 |
1,6 |
1,50 |
8 |
12 |
1,7 |
1,60 |
8 |
13 |
1,7 |
1,50 |
15 |
23 |
1,8 |
1,60 |
15 |
24 |
1,8 |
1,50 |
20 |
30 |
1,9 |
1,65 |
15 |
25 |
1,9 |
1,60 |
20 |
32 |
2 |
1,75 |
15 |
26 |
2 |
1,70 |
20 |
34 |
2,1 |
1,85 |
15 |
28 |
2,1 |
1,75 |
20 |
36 |
степень ,сти% |
талого мерз |
•10_3 |
мерз |
•Ю"3 |
мерзлого |
•ю ~3 |
|||||
|
талого |
лого |
талого |
||
|
лого |
Ст • |
Cri • |
Агр ■ |
ам -10- 8 |
Песчаные грунты |
|
|
|
2,10 |
||
7 |
0,38 |
0,42 |
0,22 |
0,2 |
.1,73 |
|
15 |
0,50 |
0,62 |
0,26 |
0,22 |
1,92 |
2,82 |
10 |
0,45 |
0,53 |
0,25 |
0,22 |
1,80 |
2,41 |
16 |
0,61 |
0,76 |
0,29 |
0,24 |
2,10 |
3,17 |
10 |
0,54 |
0,64 |
0,27 |
0,24 |
2,00 |
2,67 |
20 |
0,71 |
0,90 |
0,32 |
0,26 |
2,22 |
3,46 |
10 |
0,65 |
0,76 |
0,30 |
0,26 |
2,17 |
2,93 |
25 |
0,84 |
1,07 |
0,35 |
0,28 |
2,40 |
3,82 |
15 |
0,77 |
0,90 |
0,33 |
0,28 |
2,33 |
3,22 |
25 |
0,96 |
1,23 |
0,39 |
0,31 |
2,46 |
3,97 |
15 |
0,89 |
1,07 |
0,35 |
0,30 |
2,54 |
3,57 |
30 |
1,09 |
1,41 |
0,43 |
0,32 |
2,54 |
4,43 |
35 |
1,24 |
1,62 |
0,43 |
0,36 |
2,86 |
4,50 |
50 |
1,34 |
1,92 |
0,51 |
0,38 |
2,63 |
5,03 |
60 |
1,53 |
2,21 |
0,54 |
0,40 |
2,85 |
5,52 |
70 |
1,60 |
2,37 |
0,59 |
0,42 |
2,73 |
5,64 |
65 |
1,73 |
2,54 |
0,56 |
0,42 |
3,07 |
6,06 |
80 |
1,80 |
2,72 |
0,62 |
0,43 |
2,89 |
6,33 |
75 |
1,92 |
2,89 |
0,58 |
0,43 |
3,29 |
6,72 |
95 |
2,00 |
3,07 |
0,65 |
0,46 |
3,08 |
6,69 |
90 |
2,15 |
3,25 |
0,63 |
0,45 |
3,43 |
7,23 |
100 |
2,20 |
3,ЗЭ |
0,69 |
0,48 |
3,20 |
7,07 |
|
|
|
|
Глинистые грунты |
|
|
|
|
||
1,1 |
1,0 |
8 |
8 |
15 |
0,34 |
0,40 |
0,28 |
0,24 |
1,21 |
1,67 |
1,2 |
1,1 |
8 |
9 |
15 |
0,42 |
0,50 |
0,32 |
0,86 |
1,31 |
1,92. |
1,3 |
1,2 |
8 |
Ю |
20 |
0,5 |
0,60 |
0,35 |
0,29 |
1,43 |
2,07 |
1,3 |
1,1 |
18 |
20 |
35 |
0,59 |
0,75 |
0,46 |
0,33 |
1,28 |
2,27 |
1,4 |
1,3 |
8 |
Ю |
20 |
0,62 |
0,73 |
0,38 |
0,31 |
1,63 |
2,35 |
1,4 |
1,2 |
18 |
22 |
40 |
0,73 |
0,93 |
0,48 |
0,36 |
1,51 |
2,59 |
1,5 |
1,4 |
8 |
11 |
25 |
0,73 |
0,88 |
0,42 |
0,34 |
1,74 |
2,59 |
1,5 |
1,3 |
18 |
23 |
45 |
0,85 |
1,08 |
0,52 |
0,38 |
1,63 |
2,85- |
1,6 |
1,5 |
8 |
12 |
25 |
0,86 |
1,03 |
0,46 |
0,36 |
1,87 |
2,86 |
1,6 |
1,35 |
18 |
25 |
50 |
0,98 |
1,28 |
0,55 |
0,40 |
1,78 |
3,20 |
1,7 |
1,6 |
8 |
13 |
30 |
0,97 |
1,19 |
0,50 |
0,39 |
1,94 |
3,05 |
1,7 |
1,45 |
18 |
26 |
55 |
1,12 |
1,45 |
0,58 |
0,42 |
1,93 |
3,45 |
1,8 |
1,5 |
18 |
27 |
СО |
1,25 |
1,65 |
0,61 |
0,44 |
2,06 |
3,77 |
1,8 |
1,4 |
27 |
38 |
80 |
1,34 |
1,89 |
0,69 |
0,47 |
1,95 |
3,99 |
1,9 |
1,6 |
18 |
29 |
70 |
1,42 |
1,88 |
0.64 |
0,48 |
2,23 |
3,92. |
1,9 |
1,5 |
27 |
41 |
90 |
1,50 |
2,13 |
0,75 |
0,52 |
2,01 |
4,09 |
2,0 |
1,7 |
18 |
31 |
85 |
1,59 |
2,14 |
0,68 |
0,50 |
2,34 |
4,23 |
|
Око нча ние табл. 3 |
Физические характеристики |
Теплофизическне коэффициенты грунтов |
грунтов |
|
объемный |
влажность |
(льдис- |
|
вес, г/м3 |
тость), % |
грунта скеле |
весо объе |
Vo та VCK |
вая W мная |
степень влажно сти, %
теплопровод |
объемная те |
температуропро |
||
плоемкость |
||||
ность грунта, |
грунта, |
водность грунта, |
||
ккал/м-ч-град |
ккал/м3-град |
|
м2/ч |
|
талого мерз |
талого |
мерз |
талого |
мерзлого |
лого |
С ij * |
лого |
А т • |
А м -10—= |
|
■10~3 |
См ' |
■10“ 3 |
|
|
|
• 10_3 |
|
|
2,0 |
1 , 6 |
27 |
43 |
100 |
i,66 |
2,36 |
0,78 |
0,55 |
2,13 |
4,30 |
2,1 |
1,8 |
18 |
32 |
90 |
1,78 |
2,40 |
0,67 |
0,50 |
2,66 |
4,80 |
2,1 |
1,65 |
27 |
45 |
100 |
1,83 |
2,60 |
0,82 |
0,55 |
2,23 |
4,73 |
П р и м е ч |
а н и е . |
Значения |
См |
даны для |
температуры — 10°. |
В интервале |
температур от |
— 0,5 до — 10° См |
определяется |
в зависимости от |
количества |
||
незамерзшей воды при заданной температуре по формуле |
|
|||||
|
|
См = f r |
[См ( W - Wn) + |
СтН7н] , |
(21) |
|
где W в находится из |
формулы |
(25). |
|
|
||
Согласно экспериментальным данным, значения средней удельной теплоемкости компонентов мерзлого и талого грунтов,
входящих в формулы |
(18) и (19), могут приниматься: |
а) минерального |
скелета грунта Су.ск: кварцевого песка — |
0,17, суглинка — 0,19, глины — 0,20 ккал/кг • град; |
|
б) незамерзшей воды в мерзлом грунте Су.п — 1 ккал/кгХ |
|
Хград; в) льда Су.л — 0,5 ккал/кг-град.
Коэффициент теплопроводности X выражает количество теп ла (ккал), проходящее в 1 с (ч) через 1 см2 (м2) слоя грунта толщиной 1 см (м) при градиенте температуры по его поверх ности 1 град/см (м ). Коэффициент теплопроводности К, м име ет размерность в физических единицах кал/см-с-град, в техни ческих единицах — ккал/м • ч • град.
Коэффициент температуропроводности ат,м выражает спо собность грунта изменять температуру в данной точке под воздействием изменившегося градиента температуры в этой точке. Чем больше его значение, тем быстрее грунт будет ох лаждаться или нагреваться. Определяется коэффициент темпе ратуропроводности из выражения
|
т,м |
#т,м — |
( 20) |
VT,M |
|
Скорость оттаивания мерзлых грунтов основания зависит |
|
от их вида, фазового состава содержащейся в них воды, льдонасыщенности, начальной температуры, теплофизических